基于430單片機(jī)的出租車計(jì)價(jià)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

葉 磊，黃 瑩，齊軒晨，劉 艷

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，出租車需求量不斷增加、車型逐漸多樣化[1]；隨著司機(jī)對(duì)自身權(quán)益的要求，針對(duì)夜間出車、堵塞等待，分模式計(jì)費(fèi)是必然趨勢(shì)；物價(jià)升高以及附加燃油費(fèi)的變動(dòng)，引起出租車收費(fèi)調(diào)整，計(jì)價(jià)器計(jì)價(jià)算法卻不能及時(shí)更新[2]。出租車計(jì)價(jià)器的計(jì)費(fèi)方式以及準(zhǔn)確性與司機(jī)、乘客的利益息息相關(guān)。

傳統(tǒng)出租車計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)是采用普通液晶顯示加機(jī)械按鍵控制，機(jī)械按鍵頻繁使用之后易發(fā)生故障[3]；計(jì)價(jià)器依賴硬件，易被篡改，計(jì)價(jià)頁面信息單一，不利于乘客監(jiān)督和保障自身利益；計(jì)價(jià)器更新麻煩，不能及時(shí)跟上市場(chǎng)變化。針對(duì)這些不足，本文基于低功耗的MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款出租車計(jì)價(jià)器，采用觸摸液晶顯示器，電路單元簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，模式、單價(jià)、車速等信息一目了然，很好地彌補(bǔ)了已有出租車計(jì)價(jià)器的不足。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)計(jì)價(jià)器利用外部芯片的定時(shí)器捕捉脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)速、測(cè)里程的功能，同時(shí)通過使用外部ROM芯片進(jìn)行掉電保護(hù)。MSP430F149單片機(jī)集成了這些硬件條件，同時(shí)F149單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器還具有捕獲上升或下降沿的工作方式[4]，結(jié)果更精確。計(jì)價(jià)器正常工作時(shí)，點(diǎn)擊觸摸式液晶屏上選項(xiàng)，將觸點(diǎn)坐標(biāo)送給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別出用戶指令，選擇相應(yīng)狀態(tài)；光電傳感器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為電脈沖信號(hào)送入單片機(jī)處理；單片機(jī)通過定時(shí)中斷獲取脈沖周期，根據(jù)車輪半徑等實(shí)際參數(shù)算出速度、里程等信息送液晶更新顯示；單片機(jī)通過SPI方式連接SD卡，送入液晶的數(shù)據(jù)同時(shí)緩存在其中，起到掉電保護(hù)的作用；根據(jù)市場(chǎng)對(duì)起步價(jià)及單價(jià)的調(diào)整，出租車公司可隨時(shí)更新系統(tǒng)程序。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)出租車計(jì)價(jià)器設(shè)計(jì)包括四個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、掉電保護(hù)模塊、液晶顯示模塊和光電傳感器測(cè)速模塊。整個(gè)系統(tǒng)由8節(jié)干電池供電，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 單片機(jī)單元電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)MSP430F149的單元電路圖如圖2所示。16位超低功耗MSP430F149單片機(jī)包括時(shí)鐘模塊、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串行通信接口、比較器以及多個(gè) I/O口等。單片機(jī)的定時(shí)器有比較/捕獲模式，工作時(shí)鐘可以由對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘分頻得到或者外接時(shí)鐘提供，定時(shí)器工作在捕獲模式，設(shè)置為上升沿捕獲，可以獲得脈沖周期間隔內(nèi)的主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)差值。為了提高系統(tǒng)的防作弊能力[5]，可以從變速箱的輸入齒輪以及輸出齒輪處獲取脈沖信號(hào)，按固有齒輪比編寫的程序，比較兩者計(jì)數(shù)值，允許極小誤差。如果改換變速箱齒輪，出租車運(yùn)行之后，兩處脈沖不滿足確定關(guān)系，計(jì)價(jià)器不會(huì)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

計(jì)價(jià)器的時(shí)間顯示可以不需要外部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，利用單片機(jī)的定時(shí)器的定時(shí)中斷，由司機(jī)根據(jù)實(shí)際時(shí)間設(shè)定初值，當(dāng)定時(shí)中斷觸發(fā)時(shí)，時(shí)間加上1 s，并更新液晶顯示的日期時(shí)間。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

2.2 測(cè)速單元電路設(shè)計(jì)

以往出租車計(jì)價(jià)器中檢測(cè)脈沖的霍爾傳感器易受磁鐵干擾，有一種作弊方式：增加磁鐵個(gè)數(shù)導(dǎo)致電脈沖信號(hào)增加[5]，使得計(jì)價(jià)器多計(jì)費(fèi)。采用光電傳感器能有效地避免電磁干擾。基于光電傳感器[6]的原理設(shè)計(jì)測(cè)速電路：將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)送入單片機(jī)處理，電路原理圖如圖3所示。為了避免可見光的影響同時(shí)提高響應(yīng)速度，選用GaAlAs紅外對(duì)管；為保護(hù)紅外發(fā)光管和光敏接收管，兩管通過電阻接地，起限流作用；用三極管對(duì)光強(qiáng)變化引起的電位升降信號(hào)進(jìn)行放大；最后通過反相器74HC04對(duì)三極管集電極的電脈沖信號(hào)進(jìn)行消抖整形，避免單片機(jī)誤判造成顯示不穩(wěn)定。

圖3 光電測(cè)速電路原理圖

2.3 液晶顯示單元電路設(shè)計(jì)

液晶顯示單元電路[7]包括控制電路（圖4）、輸入輸出接口電路（圖5）。液晶屏采用DMTFT-28型TFT彩色觸摸屏，觸摸屏的結(jié)構(gòu)[8]包括三個(gè)部分：導(dǎo)體層之間的隔離層、電極以及兩層透明的阻性導(dǎo)體層。如果有外力使上下兩層在某個(gè)點(diǎn)接觸，控制電路通過觸摸屏控制芯片XPT2046分別采集觸點(diǎn)在X軸和Y軸上產(chǎn)生的數(shù)字電壓量，運(yùn)用公式計(jì)算觸摸點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的指令，單片機(jī)對(duì)液晶顯示做出狀態(tài)更改或者頁面切換。輸入輸出接口電路中，第35～40腳為觸摸控制接口；第26～33腳為液晶數(shù)據(jù)口高 8位；第 21～24腳是SD卡的控制接口；第17腳為I/O擴(kuò)展控制位LE腳（74HC573鎖存芯片的 LE腳）；第 4～16腳與控制器之間增加了限流電阻，可以在使用5 V控制器驅(qū)動(dòng)液晶時(shí)，保護(hù)液晶避免過流而損壞，限流電阻阻值1 kΩ、2 kΩ均可。

圖4 液晶控制電路

圖5 輸入輸出接口電路

2.4 掉電保護(hù)單元電路設(shè)計(jì)

掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選用合適的外部存儲(chǔ)器以及相應(yīng)的通信方式。Flash寫入速度比較慢，而且即使速度能跟上，內(nèi)部的Flash寫入次數(shù)也有限，很快就不能工作了，給程序空間帶來很多風(fēng)險(xiǎn)。這里采用SD卡以及SPI串行通信協(xié)議[9]，接口電路如圖6所示。由SCLK提供時(shí)鐘脈沖，SDI、SDO基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。串行數(shù)據(jù)通過SDO線送入到單片機(jī)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿或上升沿時(shí)改變，在緊接著的上升沿或下降沿被讀取。輸入數(shù)據(jù)時(shí)原理類似。

圖6 SD卡接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要是液晶顯示程序、定時(shí)器中斷測(cè)速程序和掉電存儲(chǔ)程序，其中液晶顯示程序包括定時(shí)中斷計(jì)時(shí)程序、觸點(diǎn)坐標(biāo)判斷程序以及預(yù)先設(shè)置的3個(gè)界面。

當(dāng)車啟動(dòng)時(shí)，出租車自身的電氣系統(tǒng)給計(jì)價(jià)器供電，MSP430單片機(jī)對(duì)定時(shí)器、液晶初始化。當(dāng)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光脈沖由光電傳感器轉(zhuǎn)換為電脈沖送入單片機(jī)的定時(shí)器捕捉相鄰上升沿，根據(jù)定時(shí)器所使用的時(shí)鐘頻率可以算出脈沖頻率，繼而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，再根據(jù)齒輪比等參數(shù)即可得到里程數(shù)。由里程數(shù)以及計(jì)費(fèi)規(guī)則，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)算出總車費(fèi)并顯示在屏幕上。當(dāng)司機(jī)點(diǎn)觸屏幕時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)點(diǎn)觸的坐標(biāo)位置，選擇相應(yīng)的指令，或是更新數(shù)據(jù)或是切換到預(yù)先配置的界面中。如果電路系統(tǒng)供電突然中斷，單片機(jī)在下次上電啟動(dòng)時(shí)，將儲(chǔ)存在SD卡中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)取出繼續(xù)運(yùn)行。

源程序中已經(jīng)設(shè)定了白天、黑夜兩種模式，對(duì)應(yīng)了兩種不同的計(jì)費(fèi)規(guī)則，由單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間自行選擇模式，乘客能在液晶屏上看到此時(shí)的時(shí)間、模式。當(dāng)有乘客上車時(shí)，司機(jī)只需點(diǎn)擊“載客”，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行計(jì)費(fèi)；未載客時(shí)，點(diǎn)擊“空閑”即可。計(jì)費(fèi)規(guī)則綜合考慮了起步價(jià)、每公里車費(fèi)、燃油附加費(fèi)，只需要根據(jù)最終顯示的總車費(fèi)付費(fèi)即可。當(dāng)需要對(duì)起步價(jià)或單價(jià)或燃油附加費(fèi)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，只需要修改源程序的參數(shù)，再將新程序裝載到MSP430單片機(jī)中即可。主程序框圖如圖7所示。

圖7 主程序框圖

4 測(cè)試及分析

設(shè)計(jì)完成后，編寫了相關(guān)功能的程序燒入單片機(jī)，通過在小車模型上模擬出租車運(yùn)行，觀察計(jì)價(jià)器工作情況。小車通過4個(gè)LM298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在某兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸處用光電傳感器取脈沖分別送入單片機(jī)比較，誤差在運(yùn)行范圍內(nèi)即可正常計(jì)價(jià)（模擬真實(shí)出租車系統(tǒng)變速箱的兩個(gè)齒輪，防作弊措施）；整個(gè)小車系統(tǒng)以8節(jié)干電池供電，主要用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作，計(jì)價(jià)器部分功耗很低，在出租車系統(tǒng)中完全能穩(wěn)定工作；計(jì)價(jià)器頁面清晰顯示載客狀態(tài)、時(shí)間、模式、單價(jià)、里程數(shù)以及車費(fèi)。表1是模擬運(yùn)行顯示的信息，實(shí)物見圖8。

表1 模擬出租車運(yùn)行信息表

圖8 基于430單片機(jī)出租車計(jì)價(jià)器實(shí)物圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能很好地工作，改善了已有出租車計(jì)價(jià)器的不足之處：機(jī)械按鍵易故障；計(jì)價(jià)器依賴硬件，易被篡改，計(jì)價(jià)頁面信息單一；計(jì)價(jià)器更新麻煩。新的設(shè)計(jì)具有易于系統(tǒng)更新、多處防作弊措施、分模式綜合計(jì)費(fèi)、系統(tǒng)穩(wěn)定精簡(jiǎn)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

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